基于传感技术的体验式室内温湿调控助手设计

徐晓艳 张寒凝 （江南大学 214122）

基于传感技术的体验式室内温湿调控助手设计

徐晓艳 张寒凝 （江南大学 214122）

文中通过严谨的技术原理和体验式设计的方法，详细描述了产品所涉及到的技术手段和实现过程，将对人的五官感受的深入研究，加入到产品设计中去，从而确保产品能够和用户尽行充分地互动，在真正意义上实现体验式的产品设计。

产品设计；传感技术；体验设计；温湿调控

21世纪，传感技术已经成为信息产业的重要组成部分，作为人们感官的延伸，各类传感器的研究和开发得到了社会的广泛关注1。集成化智能传感器将硬件与软件结合，能够完成检测、判断和信息处理等多种任务2，而将智能传感技术应用于家用产品、提升用户体验水平已经成为未来产品发展的新趋势。目前，很多学者在产品的体验式设计方面展开了研究，魏伟举例分析了产品体验设计中的情感化策略3、牟峰通过分类体验设计将用户体验进行细化研究4、陈为以手机为例详细分析了用户体验设计的6个要素5，李世国通过结合现有的手机APP创新性地提出了“自我反馈”形式的体验设计6等，但上述研究没有涉及将智能传感技术与体验式设计的有效结合，这在一定程度上限制了智能产品体验水平的提升。针对这一点，文中结合传感技术与体验式产品设计方法，通过实例讨论了室内温湿调控助手的设计研究过程，为传感技术应用与体验式产品设计的交叉领域的研究开拓了新思路。

一、产品技术原理与体验设计的方法

（一）产品技术原理

室内温湿调控助手主要采用温湿传感器、倾角传感器和舵机作为传感与驱动元件进行工作，其中温湿传感器是采用基于MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）的单片集成温度和湿度测量的微型传感器7。如图1所示，以瑞士Sensirion公司的数字温湿度传感器芯片SHT11为例，其已被广泛应用于暖通空调、汽车、消费电子、自动控制等领域。传感器芯片工作时，两个敏感元件分别将空气的湿度和温度信息转换成电信号，该电信号首先进入信号放大器进行放大，然后进入一个14位的A/D转换器，最后经过二线串行数字接口输出数字信号。室内温湿调控助手可以根据温湿传感器的测量信息实时驱动舵机运动，进而体现室内空气的舒适程度感受意向。

图1 温湿传感芯片内部结构示意图

倾角传感器实际上是运用惯性原理的一种加速度传感器，其工作原理是通过实时测量加速度计算出倾斜角度，基于MEMS技术的倾角传感器因使用寿命长、制造成本低、可靠性高等优势得到了广泛应用。其中谐振式加速度传感器由支撑梁、质量块、杠杆机构、谐振器、激振单元、拾振单元组成。当它开始工作时，质量块将加速度转化为惯性力，惯性力经过杠杆机构放大后作用于谐振器的轴向，引起谐振器的谐振频率发生变化，由测得的谐振频率推算出被测加速度。

室内温湿调控助手中应用到的舵机是一种角度伺服驱动器，它通过接收一种特定的脉冲信号激发出与之相应的中位脉冲，两个脉冲在一个加法器中进行相加得到了所谓的差值脉冲，此差值脉冲放大后就是驱动舵机正反转动的动力信号。

在舵机运作时，控制电路板根据接收到的控制输入信号来控制电机转动，电机通过带动齿轮组转动并减速后传动至输出传动轴，传动轴上的光电编码传感器能够实时监测轴转过的角度并输出一个电压信号到控制电路板进行反馈，最后控制电路板通过对比输入角度与监测角度来控制电机下一步的转动方向和速度，从而精确控制转动轴的停止位置。

（二）体验式设计的方法

如图2所示，体验式设计内容主要包括“感官”体验设计、“情感”体验设计、“思考”体验设计、“行动”体验设计和“关联”体验设计5种类型，这5种体验之间有着错综复杂的影响关系，用户的最终体验是这5种体验设计相互作用并对产品设计产生影响的结果。因此，室内温湿调控助手要提升用户体验，必须综合考虑这5个方面的体验设计因素。在感官体验设计中，要重点运用对温度和湿度的感觉达到创造知觉体验的诉求目标；在行为体验设计中，要增加使用者的身体体验，将温湿调控的操作赋予实际意义，形成人机之间的互动；在情感体验设计中，以某种方式激发使用者的内在情绪，形成情感上的共鸣；在关联体验设计中，将温湿调控与生活其他方面相关联，使产品的存在自然而不突兀；在思考体验设计中，以创意的方式解决温湿调控问题，引起用户的惊喜和兴趣，为用户创造解决问题的体验。

图2 用户体验体系

二、温湿调控助手的技术实现流程

温湿调控助手由温湿感应器和加湿器两部分构成，主要运用到的技术手段是温湿传感器、倾角传感器和舵机驱动器三种，温湿传感器和倾角传感器分别运用在温湿感应器和加湿器中，而舵机则参与了两部分运作过程。如图3所示，温湿感应器的外部结构主要有转动轴、转动外壳、底座外壳和电机及电机固定结构等，电机固定结构被安装在底座的外壳中，当温湿感应器工作时，电机工作带动转动外壳顺着固定轴上的旋转导轨螺旋式上升或下降，转动外壳与固定轴的刻度相交处为当时室内空气温湿度状况。

图3 温湿感应器的外部结构示意图

温湿感应器的内部结构主要由温湿感应模块、单片机、电机驱动模块和舵机四部分组成，温湿感应模块感应到室内温湿度的变化并将信息传送到单片机中，单片机将信号寄存和转换后发出指令，使电机驱动模块驱动电运转。

加湿器的技术原理要运用到倾角传感器和舵机。如4所示的是加湿器的结构，主要包括加湿器上壳和底座两部分，为便于拆卸清理及组装，上壳和底座间用旋转固定快拆结构连接，方便快捷。加湿器顶部漏斗状的部件直接延伸到加湿器内部的水槽中，用户直接从顶部进行加水。除水槽外的空间则安装有倾角传感器和舵机，加湿器的转动引起倾角传感器的感应，发送信号使舵机开始运转，舵机驱动水槽中雾化器将水转化为水蒸气，此时加湿器开始工作。

图4 加湿器的内部构件

三、温湿调控助手的体验式设计

室内温湿调控助手包括加湿器和温湿感应器两部分，通过5种体验式设计的方法将两者的工作协调统一，使整个使用过程充满体验式的乐趣。在温湿调控助手的感官体验设计中，运用用户最直接的视觉和触觉为用户创造使用体验。加湿器的设计从外观上来看非常小巧便携，适应人手拿的大小且与温湿感应器的造型相呼应，协调统一；底座部分的角度设计让用户能够通过变换倾角来改变加湿器的工作状态，使加湿器的倾斜开关设计能够连续工作，产生的水蒸气也能够为用户带来触觉上的享受。

在行为体验设计的部分，用倾斜开关设计代替了传统的按钮式开关，用户将其倾斜一定角度后加湿器便开始工作，放平稳后自动关闭，这个过程为用户提供了不同的操作体验，简单而有趣。但加湿器底部的角度设计也引发对产品稳定性的考虑，通过对加湿器内部配重的设计，使加湿器在直立无水、直立有水和倾斜无水、倾斜有水这四种情况下都能够保持稳定，可见内部配重恰当，能够保证加湿器的正常工作。

就像人在较适宜的空气环境中心情会随之舒畅，在不适宜的环境中就会觉得烦躁一样，温湿感应器对室内不同空气状况的反应也是随之变化的，这种基于情感体验设计的方法能够激发用户的感官体验，并与之形成共鸣。温湿感应器在感应到室内温室变化后连在外壳上的钢丝会因转动形成不同的形状，如图5所示，当室内高温且干燥时，从顶部看，钢丝呈顺时针小幅度扩张；当室内空气较为适宜时，钢丝则大幅度张开；当室内空气低温且潮湿时，钢丝呈逆时针较大幅度扩张。这种方式能够将室内空气的温湿状况更加直观地展现出来，相较于直观的温湿度数值更能让用户产生兴趣，使用户在使用过程中感受到体验式的乐趣。

图5 温湿感应器对温湿度状况的反馈

如图6所示是基于关联体验设计方法的温湿调控助手的交互模型样本，植物枯萎需要浇水，空气干燥则需要加湿，加湿器在温湿感应器的提示下为空气加湿，温湿感应器随之对经加湿的空气做出感应和反馈，这种交互的过程是受到了“为植物浇水”这一生活细节的启发，两者间的关联能够让用户在使用温湿调控助手时感到熟悉和亲切，为用户创造了独特的使用体验。

图6 温湿调控助手的交互模型样本

思考体验设计的方法要求以创意的方式引起顾客的惊喜和兴趣，，对问题的集中和分散的思考，为顾客创造认知和解决问题的体验。与常用的数字屏幕显示温湿度等方式不同，温湿调控助手将温度和湿度的刻度读取方式设计成两者相交读取数值。温湿感应器在感应到室内温度和湿度的变化后，通过外壳顺着固定轴上的旋转导轨和螺旋式上升或下降，使外壳和固定轴上的刻度相交成特定的数值，同时连在外壳上的钢丝因转动形成不同的形状来表现不同的空气状况，这种方式虽然将直观的读取方式取而代之，但却能够很好地引发用户的思考和探究正确使用方式的兴趣，为用户增加使用体验，吸引用户再次使用。

四、室内温湿调控助手的使用实验

在室内温湿调控助手的使用实验中，分别对加湿器和温湿感应器的使用及整体使用进行检测。如图7所示是针对加湿器倾斜式开关的使用实验，从图中可以看出加湿器小巧精致且便于手拿，在处于水平状态时加湿器不工作，当倾斜一定角度时加湿器开始工作，加湿器明锐度较高，整个过程十分流畅。从使用体验方面来讲，用户可以从加湿器顶部的漏斗口直接往加湿器中注水十分方便，倾斜式开关的有趣的使用方式也为用户提供了独特的使用体验。

图7 加湿器倾斜式开关的使用实验

温湿感应器主要负责对室内温湿度的监控工作，如图8所示是对温湿感应器的温湿感应情况的检测，从图中可以看出，温湿感应器能根据不同的室内温湿情况表现出不同状态，连接在转动外壳上的钢丝随着外壳的旋转上升和下降呈现不同的形状，高温干燥时旋转收拢，较适宜时疏松扩张，低温潮湿时则会反向旋转，同时转动外壳和固定轴相交所得的刻度为当时室内温湿情况。

图8 温湿调控助手整体工作过程的使用实验

整个过程为：温湿感应器监控到室内空气干燥，此时钢丝收起，加湿器为其加湿后钢丝打开。温湿感应器和加湿器两者间相互协调，共同完成了对室内空气的监测和调控，使用方法方便巧妙，使用过程舒适流畅。

五、结论

在室内温湿调控助手的整个工作流程中，温湿传感器能够使温湿感应器精确地捕捉到室内温湿度的变化情况，倾角传感器为加湿器独特的倾斜式开关设计提供了技术支持，而舵机则负责驱动产品整体正常运作。在体验式设计原则的指导下，室内温湿调控助手的设计更加注重产品和人的互动，也能够更直观地将信息反馈给用户。

传感技术的应用为室内温湿调控助手提供了更高效的解决方案，体验式设计的原则也为用户带来了更愉悦的使用感受。随着传感技术的高速发展，室内温湿调控助手将充分调动用户的五感体验，协同产品与用户间的互动，联动智能技术服务，设计出智能传感技术与体验式设计有效结合的产品。

注释：

1.葛运建，张建军，戈瑜，吴仲城，高理富.无所不在的传感与机器人感知[J].自动化学报，2002，28（S1）：125-133.

2.陆遥.传感器技术的研究现状与发展前景[J].监控技术，2009，9：273-274.

3.魏伟.产品体验设计中的情感化策略[J].大众文艺，2014，11：92-93.

4.牟峰，褚俊洁.基于用户体验体系的产品设计研究[J].包装工程，2008，29（3）：142-143.

5.陈为.用户体验设计要素及其在产品设计中的应用[J].包装工程，2011，32（10）：26-39.

6.李世国、程玖平、张玕.“反馈自我”形式的体验设计与价值[J].包装工程，2014，35（8）：52-60.

7.方震，赵湛，武宇，陈超，张博军.基于 MEMS 技术的温湿传感器模拟和设计[J].监控技术，2004，23（3）：10-14.